JP2001131772A

JP2001131772A - プレス成形性に優れた合金化溶融亜鉛めっき鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001131772A
Application number: JP31980199A
Authority: JP
Inventors: Shoichiro Taira; 章一郎平; Toru Imokawa; 透妹川; Shuji Nomura; 修二野村; Michitaka Sakurai; 理孝櫻井; Yoshiharu Sugimoto; 芳春杉本; Junichi Inagaki; 淳一稲垣
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】プレス成形における摺動性に優れた合金化溶融
亜鉛めっき鋼板及びその製造方法を提供する。【解決手段】平坦部を表面に有し、その平坦部表面のAl
濃度が20at%未満で、残部が主としてZnからなる酸化物
層が10nm以上の厚さで存在する合金化溶融亜鉛めっき鋼
板及びその製法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、プレス成形時に
おける摺動性に優れた合金化溶融亜鉛めっき鋼板及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】合金化溶融亜鉛めっき鋼板は亜鉛めっき
鋼板と比較して溶接性および塗装性に優れることから、
自動車車体用途を中心に広範な分野で広く利用されてい
る。そのような用途での合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、
プレス成形を施されて使用に供される。しかし、合金化
溶融亜鉛めっき鋼板は、冷延鋼板に比べてプレス成形性
が劣るという欠点を有する。これはプレス金型での合金
化溶融めっき鋼板の摺動抵抗が冷延鋼板に比べて大きい
ことが原因である。すなわち、金型ビードでの摺動抵抗
が大きい部分で合金化溶融亜鉛めっき鋼板がプレス金型
に流入しにくくなり，鋼板の破断が起こり易い。

【０００３】亜鉛系めっき鋼板使用時のプレス成形性を
向上させる方法としては、一般に高粘度の潤滑油を塗布
する方法が広く用いられている。しかし、この方法で
は、潤滑油の高粘性のために塗装工程で脱脂不良による
塗装欠陥が発生したり、また、プレス時の油切れによ
り、プレス性能が不安定になる等の問題がある。従っ
て、合金化溶融亜鉛めっき自身のプレス成形性が改善さ
れることが強く要請されている。

【０００４】上記の問題を解決する方法として、特開昭
53−60332号公報および特開平2−190483号公報には、亜
鉛系めっき鋼板の表面に電解処理、浸漬処理、塗布酸化
処理、または加熱処理を施すことにより、ZnOを主体と
する酸化膜を形成させて溶接性、または加工性を向上さ
せる技術を開示している。

【０００５】特開平4−88196号公報は、亜鉛系めっき鋼
板の表面に、りん酸ナトリウム5〜60g／lを含み、pH2〜
6の水溶液にめっき鋼板を浸漬するか、電解処理を行
う、または、上記水溶液を塗布することにより、P酸化
物を主体とした酸化膜を形成して、プレス成形性および
化成処理性を向上させる技術を開示している。

【０００６】特開平3−191093号公報は、亜鉛系めっき
鋼板の表面に電解処理、浸漬処理、塗布処理、塗布酸化
処理、または加熱処理により、Ni酸化物を生成させるこ
とにより、プレス成形性および化成処理性を向上させる
技術を開示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
先行技術を合金化溶融亜鉛めっき鋼板に適用した場合で
も、プレス成形性の改善効果を安定して得ることは出来
ない。本発明者らは、その原因について詳細な検討を行
った結果、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の表面には、酸化
物が不均一に存在することにより、表面の反応性が不均
一であること、および、表面の凹凸が大きいことが原因
であることを見出した。即ち、先行技術を合金化溶融亜
鉛めっき鋼板に適用した場合、表面の反応性が不均一で
あるために、電解処理、浸漬処理、塗布酸化処理および
加熱処理等を行っても所定の皮膜を表面に均一に形成さ
せることは困難であり、反応性の低い部分、すなわち、
Al酸化物量が多い部分では膜厚が薄くなってしまう。ま
た、表面の凹凸が大きいため、プレス成形時にプレス金
型と直接接触するのは表面の凸部となるが、凸部のうち
膜厚の薄い部分と金型との接触部での摺動抵抗が大きく
なり、プレス成形性の改善効果が十分には得られない本
発明は上記の問題点を改善し、プレス成形時の摺動性に
優れた合金化溶融亜鉛めっき鋼板を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、合金化溶融亜
鉛めっき鋼板表面に存在する平坦部表層の酸化物層厚さ
を制御することで、安定して優れたプレス成形性が得ら
れることを知見した。

【０００９】合金化溶融亜鉛めっき鋼板表面の上記平坦
部は、周囲と比較すると凸部として存在する。プレス成
形時に実際にプレス金型と接触するのは、この平坦部が
主体となるため、この平坦部における摺動抵抗を小さく
すれば、プレス成形性を安定して改善することが出来
る。この平坦部における摺動抵抗を小さくするには、め
っき層と金型との凝着を防ぐのが有効であり、そのため
には、めっき層の表面に、硬質かつ高融点の皮膜を形成
することが有効である。この観点から検討を進めた結
果、平坦部表層の酸化物層厚さを制御することが有効で
あることを見出した。

【００１０】また、合金化溶融亜鉛めっき鋼板表層に
は、合金化処理時の加熱により生成した酸化膜層が残存
しており、摺動性の向上に必要な酸化膜厚を得るには、
長時間の処理を必要とするなどの実用上の問題がある。
この問題点の解決方法についても検討を進め、調質圧延
後の表層の酸化物層を除去した後に、改めて酸化処理を
施すことにより、短時間の処理で摺動性の向上が可能に
なることを見出した。

【００１１】本発明は、以上の知見に基づいて為された
ものであり、第１発明は、平坦部を表面に有し、その平
坦部表層のAl濃度が20at%未満で、残部が主としてZnか
らなる酸化物層が10nm以上の厚さで存在することを特徴
とする合金化溶融亜鉛めっき鋼板を提供する。第２発明
は、第１発明において、めっき表面における上記平坦部
の面積率が20〜80%であることを特徴とする合金化溶融
亜鉛めっき鋼板を提供する。第３発明は第１および第２
発明において、めっき層が主としてδ１相からなり、ま
た、ζ相を含んでいることを特徴とする合金化溶融亜鉛
めっき鋼板を提供する。第４発明は、上記平坦部に対し
て、合金化処理時に生成した酸化物膜層を除去した後、
酸化処理を行うことにより、酸化物層を形成することを
特徴とする上記合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法を
提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、合
金化処理時の鋼板−めっき界面の反応性の差により、表
面に凹凸が存在する。しかしながら、調質圧延などの方
法により表面を平滑化すると、めっき表面の凹凸が緩和
される。従って、プレス成形時には、金型がめっき表面
の凸部を押しつぶすのに必要な力が低下し、摺動特性を
向上させることが出来る。

【００１３】合金化溶融亜鉛めっき鋼板表面の平坦部
は、プレス成形時に金型が直接接触する部分であるた
め、金型との凝着を防止する硬質かつ高融点の物質が存
在することが摺動性の向上には重要である。この観点か
らも、表層に酸化物層を形成することは、摺動特性の向
上に有効であるが、プレス成形時に表層の酸化物は摩耗
し削り取られるため、金型と被加工材の接触面積が大き
い場合には、十分に厚い酸化膜の存在が必要である。し
かしながら、めっき表面には合金化処理時の加熱により
酸化物層が形成されており、調質圧延などの方法により
平坦化された際に、一部破壊されているものの、大部分
が残存しているため、表面の反応性が十分でなく、その
後の酸化処理により所定の酸化膜厚を得ることは困難で
ある。そこで、表層に残存した酸化膜を除去することに
より、表面を活性化出来、その後の酸化処理で十分に厚
い酸化膜を付与することが出来るため、良好な摺動性を
得ることが出来る。

【００１４】上記平坦部における酸物層の厚さを10nm以
上とすることにより、良好な摺動性を示す合金化溶融亜
鉛めっき鋼板が得られるが、酸化物膜の厚さを30nm以上
とするとより効果的である。これは、金型と被加工物の
接触面積が大きくなるプレス成形加工において、表層の
酸化物膜が摩耗した場合でも残存し、摺動性の低下を招
くことがないからである。一方、酸化物膜の厚さの上限
は特に設けないが、200nmを超えると表面の反応性が極
端に低下し、化成処理皮膜を形成するのが困難になるた
め、200nm以下とするのが望ましい。

【００１５】表層に残存した酸化物層を除去する手法と
しては、研磨などの機械的に除去する方法や、アルカリ
液に浸漬あるいはスプレーなどで処理することにより、
化学的に除去する方法などが考えられるが、その後の酸
化処理までに表層の酸化物膜が除去されていればよく、
その手法に制限はない。

【００１６】ここで、本発明における酸化物層とは、表
層のAl濃度が20at%未満で、残部が主としてZnと酸素か
らなる酸化物層のことである。溶融亜鉛めっき浴中に
は、過剰な合金化反応を抑制するために少量のAlが含ま
れているが、このAlはめっき皮膜にも取り込まれ、合金
化処理時の加熱の際には、めっき表面にZnとAlとの複合
酸化物層が形成される。表面のAl酸化物量が多くなる
と、Znの酸化反応が抑制されるために、酸化物膜厚を厚
くすることが出来ない。従って、摺動距離が長くなるよ
うなプレス加工の際には、表層の酸化物膜が摩耗して削
り取られるため、十分な摺動性を発揮しない。そこで、
そのようなプレス条件でも十分な摺動特性を示すために
は、酸化物膜の厚さをより厚くする必要がある。しかし
ながら、表面にAl酸化物が多く存在した状態で、酸化物
膜厚を短時間で厚くすることは困難であるために、合金
化処理時に生成した酸化物膜を除去して、活性な表面を
露出させ、新たに酸化物膜を生成させる必要がある。と
ころが、合金化処理時に生成した酸化物膜を除去する際
に、Al酸化物を完全に除去することは不可能であり、Al
酸化物は一部分が不均一に残存する。不均一にAl酸化物
が残存すると、再酸化物皮膜厚さも不均一となり、十分
な摺動特性が得られない。従って、Al酸化物の残存量は
少ない方が摺動特性に優れる。残存したAl酸化物は表面
に存在するため、表面のAl濃度を評価することにより、
表面酸化物膜の均一性が評価可能であり、20at%未満の
場合には表面酸化物膜は均一で、良好な摺動特性が得ら
れる。また、酸化物膜を生成させる際に、処理液中に含
まれるS，N，P，B，Cl，Na，Mn，Ca，Mg，Ba，Sr，Si等
が酸化物皮膜中に取り込まれても、摺動特性が劣化する
ことはない。

【００１７】本発明の酸化物層の形成方法は、特に限定
されるものでは無く、酸化剤含有の水溶液への浸漬や同
水溶液の吹き付け、あるいは、同水溶液での電解処理な
どの方法を適用することが出来る。

【００１８】なお、平坦部表面の酸化物層の厚さは、Ar
イオンスパッタリングと組み合わせたオージェ電子分光
(AES)により求めることが出来る。この方法において
は、所定厚さまでスパッタした後、測定対象の各元素の
スペクトル強度から相対感度因子補正により、その深さ
での組成を求めることが出来る。酸化物または水酸化物
に起因するOの含有率は、ある深さで最大値となった後
(これが最表層の場合もある)、減少し、一定となる。O
の含有率が最大値より深い位置で、最大値と一定値との
和の1／2となる深さを、酸化物の厚さとする。また、表
層Al濃度は、Al含有率の深さ方向プロファイルにおける
最大値とする．ここで、めっき表面における平坦部の面
積率は、20〜80%とするのが望ましい。20%未満では、平
坦部を除く部分(凹部)での金型との接触面積が大きくな
り、実際に金型と接触する面積のうち、酸化物厚さを確
実に制御できる平坦部の面積率が小さくなるため、プレ
ス成形性の改善効果が小さくなる。また、平坦部を除く
部分は、プレス成形時にプレス油を保持する役割を持
つ。従って、平坦部を除く部分の面積率が20%未満にな
ると(平坦部面積率が80%を超えると)プレス成形時に油
切れを起こしやすくなり、プレス成形性の改善効果が小
さくなる。

【００１９】なお、めっき表面の平坦部は、光学顕微鏡
あるいは走査型電子顕微鏡で表面を観察することで容易
に識別可能である。めっき表面における平坦部の面積率
は、上記顕微鏡写真を画像解析することにより求めるこ
とが出来る。

【００２０】本発明で用いる合金化溶融亜鉛めっき鋼板
のめっき皮膜のFe含有率およびAl含有率は特に規定しな
いが、めっき層としては主としてδ1相からなり、更
に、ζ相を含んでいる構造が望ましい。Fe濃度が低いζ
あるいはηが主体となると、めっき皮膜が低融点で軟質
となるため、プレス成形時にいわゆるフレーキングとな
ってめっき皮膜が金型に堆積し、製品歩留まりの低下や
金型手入れの頻度増加による生産性の低下をもたらすこ
とがある。また、δ1単相となるまで合金化を進める
と、Fe含有率の高いΓ相、Γ1相が厚くなり、プレス加
工時にめっき皮膜が剥離するパウダリングが生じ易くな
り、剥離粉による押し傷が発生し易い。従って、めっき
皮膜としてはδ１主体でζが残存する構造が有利であ
る。

【００２１】本発明に係る合金化溶融亜鉛めっき鋼板を
製造するに関しては、めっき浴中にAlが添加されている
ことが必要であるが、Al以外の添加成分元素は特に限定
されない。すなわち、Alの他に、Fe，Pb，Sb．Si，Sn，
Mg，Mn，Ni，Ti，Li，Cu等が含有または添加されていて
も、本発明の効果が損なわれるものではない。

【００２２】

【実施例】次に、本発明を実施例により、更に詳細に説
明する。

【００２３】板厚０.８mmの冷延鋼板上に、常法の合金
化溶融亜鉛めっき皮膜を形成し、更に調質圧延を行っ
た。この際に、調質圧延の圧下荷重を変化させること
で、表面における平坦部面積率を変化させた。引き続
き、平坦部の表層に酸化物層を形成させるために次の２
種類の酸化処理を行った。

【００２４】[形成方法Ａ]上記合金化溶融亜鉛めっき鋼
板をpH３の硫酸酸性の過酸化水素水溶液に浸漬。温度50
℃。過酸化水素の濃度を種々変化させて平坦部における
酸化物層の厚さを調整。

【００２５】[形成方法Ｂ]上記合金化溶融亜鉛めっき鋼
板をpH２の硫酸酸性の硝酸ナトリウム水溶液に浸漬し、
陰極電解。温度50℃。電流密度と通電時間を種々変化さ
せて平坦部における酸化物層の厚さを調整。

【００２６】上記酸化処理前にはpH12の水酸化ナトリウ
ム水溶液に浸漬し、合金化処理時の加熱により生成した
酸化物層を除去した。

【００２７】次いで、上記方法で作成した供試材につい
て、めっき皮膜中のFe含有率、平坦部面積率、酸化物層
厚さ、表層Al濃度の測定およびプレス成形性の評価を行
った。酸化物層厚さ、表層Al濃度の測定およびプレス成
形性の評価は下記の方法で行った。

【００２８】酸化物層の厚さ測定オージェ電子分光(AES)により平坦部の各元素の含有率
(at%)を測定し、引き続いて所定の深さまでArスパッタ
リングした後、AESによりめっき皮膜中の各元素の含有
率の測定を行い、これを繰り返すことにより、深さ方向
の各元素の組成分布を測定した。酸化物、水酸化物に起
因するOの含有率はある深さで最大となった後、減少し
一定となる。 Oの含有率が、最大値より深い位置で、最
大値と一定値との和の1／2となる深さを、酸化物の厚さ
とした。また、Alの含有率が最大となる値を表層Al濃度
とした。なお、予備処理として30秒のArスパッタリング
を行って、供試体表面のコンタミネーションレイヤーを
除去した。

【００２９】(２)プレス成形性評価試験(摩擦係数測定
試験) プレス成形性を評価するために、各供試体の摩擦係数を
以下のようにして測定した。

【００３０】図１は、摩擦係数測定装置を示す概略正面
図である。同図に示すように、供試体から採取した摩擦
係数測定用資料１が、資料台２に固定され、資料台２
は、水平移動可能なスライドテーブル３の上面に固定さ
れている。スライドテーブル３の下面には、これに接し
たローラ４を有する上下動可能なスライドテーブル支持
台５が設けられ、これを押し上げることにより、ビード
６による摩擦係数測定用資料１への押し付け荷重Ｎを測
定するための、第１ロードセル７がスライドテーブル支
持台５に取り付けられている。上記押し付け力を作用さ
せた状態でスライドテーブル３を水平方向へ移動させる
ための摺動抵抗力Ｆを測定するための第２ロードセル８
が、スライドテーブル３の一方の端部に取り付けられて
いる。なお、潤滑油として日本パーカライジング社製ノ
ックスラスト５５０HNを試料１の表面に塗布して試験を
行った。

【００３１】図２、３は使用したビードの形状・寸法を
示す概略斜視図である。ビード６の下面が試料１の表面
に押し付けられた状態で摺動する。図２に示すビード６
の形状は幅10mm、試料の摺動方向長さ12mm、摺動方向両
端の下部は曲率4.5mmRの曲面で構成され、試料が押し付
けられるビード下面は幅10mm、摺動方向長さ3mmの平面
を有する。図３に示すビード６の形状は幅10mm、試料の
摺動方向長さ69mm、摺動方向両端の下部は曲率4.5mmRの
曲面で構成され、試料が押し付けられるビード下面は幅
10mm、摺動方向長さ60mmの平面を有する。

【００３２】摩擦係数測定試験は下に示す２条件で行っ
た。

【００３３】［条件１］図２に示すビードを用い、押し
付け荷重Ｎ:400kgf、試料の引き抜き速度(スライドテー
ブル3の水平移動速度):100cm／minとした。

【００３４】［条件２］図３に示すビードを用い、押し
付け荷重Ｎ:400kgf、試料の引き抜き速度(スライドテー
ブル3の水平移動速度):20cm／minとした。

【００３５】供試体とビードとの間の摩擦係数μは、
式：μ＝Ｆ／Ｎで算出した。

【００３６】試験結果を表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１に示すように、表層の酸化膜厚、表層
のAl濃度および平坦部の面積率が本発明範囲内にある場
合(本発明例１〜20)には、条件１の摩擦係数はすべて非
常に低い値であり、更に、酸化膜厚が30nm以上と厚い場
合(本発明例7〜20)には、条件２の摩擦係数も低い値と
なり、更に良好な摺動特性を示した。これに対して、表
層の酸化膜厚および表層のAl濃度が本発明範囲を外れる
比較例(比較例１〜4)は、いずれの摩擦係数も高い値を
示し、摺動特性は低下した。一方、表層の酸化膜厚およ
び表層のAl濃度が本発明範囲内に含まれていても、平坦
部面積率が本発明範囲内を外れる比較例は(比較例5〜
8)、条件１の摩擦係数がわずかに低下したが、条件２の
摩擦係数はまったく低下せず、摺動特性の改善効果はな
かった。また、酸化膜厚および平坦部面積率が本発明範
囲内に含まれていても、表層のAl濃度が本発明範囲内を
外れる比較例は(比較例9,10)、条件１，２の摩擦係数が
わずかに低下したのみであった。

【００３９】

【発明の効果】本発明の合金化溶融亜鉛めっき鋼板は表
面に平坦部を有し、その平坦部の表面に10nm以上の厚さ
の酸化物層を有しているので、プレス成形時の摺動抵抗
が小さく、安定して優れたプレス成形性を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦係数測定装置を示す概略正面図。

【図２】図１中のビード形状・寸法を示す概略斜視図。

【図３】図１中のビード形状・寸法を示す概略斜視図。

【符号の説明】

１．．．摩擦係数測定用試料２．．．試料台３．．．スライドテーブル４．．．ローラ５．．．スライドテーブル支持台６．．．ビード７．．．第１ロードセル８．．．第２ロードセル９．．．レールＮ．．．押し付け荷重Ｆ．．．摺動抵抗力Ｐ．．．引張荷重

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野村修二東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者櫻井理孝東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者杉本芳春東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者稲垣淳一東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 4K027 AA05 AA22 AB02 AB36 AB37 AB44 AC73 AC82 4K044 AA02 AB02 BA10 BA12 BB03 BC01 BC05 CA11 CA62 CA64

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に平坦部を有し、その平坦部表面の
表層に10nm以上の厚さの酸化物層を有し、この酸化物層
のAl濃度が20at％未満で、残部が主としてZnからなるこ
とを特徴とする合金化溶融亜鉛めっき鋼板。
【請求項２】めっき表面における上記平坦部の面積率
が20〜80%以下であることを特徴とする請求項１に記載
の合金化溶融亜鉛めっき鋼板。
【請求項３】めっき層が主としてδ１相からなり、ま
た、ζ相を含んでいることを特徴とする請求項１または
２に記載の合金化溶融亜鉛めっき鋼板。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかの合金化溶
融亜鉛めっき鋼板を製造するに際し、合金化処理時に生
成した酸化物層を除去した後、酸化処理を行うことによ
り、酸化物層を形成することを特徴とする合金化溶融亜
鉛めっき鋼板の製造方法。